1、1郑州大学毕业设计（论文）题目基于单片机的室内甲醛检测系统设计院系机械工程学院专业机械工程及自动化年级 2012学生姓名 XXX指导教师 XXX16 年 06 月 07 日2摘要近年来，人们生活质量越来越高,人们对于健康也愈来愈关注,而住宅内装潢材料中含有的有害化学成分常常引发一系列健康问题，甲醛是这些有害化学成分中危害较大的一种。它是一种无色气体，对人体有一定的刺激性，同时也是广为人知的致癌物质，对健康有较大的危害。单片机具有很强的通用性、稳定性和可靠性，而且其体积小，在价格上优势。因此，被很多智能设备和控制系统所应用。本课题主要研究一种能自动监测室内甲醛浓度的系统，它使用一个电化学甲醛传感
2、器来测试室内甲醛浓度，并且能够通过液晶显示器显示该甲醛浓度值，通过一个蜂鸣器实现报警功能，并通过 WiFi 模块实现远程云端监控。关键词：甲醛，单片机，甲醛传感器，云端监控AbstractIn recent years, the quality of life of the people more and more high, for peoples health is also getting more and more attention, and residential decoration materials containing hazardous chemicals often l
3、ead to a range of health problems, formaldehyde is the more serious these harmful chemicals. It is a colorless gas, has a certain stimulation of the human body, but also widely known carcinogens, a greater harm to health. SCM has a strong versatility, stability and reliability, and its small size, t
4、he price advantage. As a result, many intelligent devices and control systems are used. The main task of this paper is to study a system of automatic monitoring of indoor formaldehyde concentration, it uses an electrochemical formaldehyde sensor to test the concentration of indoor formaldehyde, and
5、can show through the liquid crystal display the formaldehyde concentration, through a buzzer realize alarm function, and realize remote cloud monitoring through the WiFi module.Key words: formaldehyde, MCU, formaldehyde sensor, cloud 3monitoring目录1 绪论 51.1 研究的背景及意义 51.2 现状及发展趋势 71.3 主要工作 91.4 本章小结 9
6、2 系统方案设计 102.1 系统总体方案 102.2 硬件系统方案 102.3 软件系统方案 112.4 本章小结 113 硬件系统设计 123.1 单片机模块 123.1.1 STC90C516RD 的参数及特点 123.1.2 单片机各引脚及功能 133.1.3 单片机最小系统模块 153.2 甲醛传感器模块 163.2.1 传感器的选择 163.2.2 传感器原理及参数 163.2.3 传感器模块引脚 173.2.4 甲醛传感器模块的串口通信协议 183.3 串口 WiFi 模块 193.3.1 WiFi 模块特性 193.3.2 WiFi 模块的基本参数 203.3.3 WiFi 模
7、块的 AT 指令 223.3.4 WiFi 模块的云端通信 233.4 液晶显示模块 243.4.1 液晶显示模块的概述 243.4.2 显示模块引脚说明 253.4.3 显示模块操作 253.4.4 RAM 映射表及字库对照表 2843.5 蜂鸣器模块 303.6 电源降压模块 303.7 串口通信的 TTL 电平匹配设计 303.8 单片机程序下载器 333.9 单片机中断系统 353.10 串行通信 383.10.1 串行通信方式 383.10.2 80C51 的串行接口 393.11 本章小结 414 软件系统设计 424.1 主程序的设计 434.2 显示模块相关子程序设计 454.
8、3 串口程序设计 464.3.1 串口初始化函数 464.3.2 串口发送函数 464.3.3 串口接收函数 474.3.4 数据处理函数 484.4 WiFi 模块程序设计 504.5 延时函数 514.6 仿真测试 514.7 实物制作 524.8 本章小结 545 实验与分析 55设计总结 57致谢 58参考文献 59附录 60附录 1 毕业设计开题报告 60附录 2 C 程序清单 60附录 3 仿真电路图 6051 绪论1.1 研究的背景及意义近年来，人们生活质量越来越高,人们对于健康也愈来愈关注,而在住宅内，装潢材料常常中含有各种有害化学成分，它们会引发一系列的健康问题，人们常称之为
9、“装潢病” 。甲醛，其化学式为 HCHO，是这些有害化学成分中常常被人们谈及的一种，它是一种无色且具有刺激气味的气体，同时也是一种潜在的致癌物质，对人体健康有较大的危害，它能诱发很多疾病，如哮喘，白血病等。作为室内空气中常见的污染物，它主要有 2 个来源。第一个由建筑材料和家具释放的，如压木制品、胶粘剂、地板涂料、壁纸、油漆等。另一个来源是材料的燃烧，例如吸烟。由于甲醛在工业上有极其广泛的应用，因此在生活中对我们构成了不小的潜在威胁。甲醛对人体存在较多的危害，它们主要表现如下：（1） 对皮肤黏膜的刺激作用：这是甲醛的主要危害，我们知道甲醛是一种原浆毒性物质，能够通过作用于蛋白质中广泛存在的氨基
10、与蛋白质相结合。通常，人体在吸入高浓度的甲醛时，呼吸道会受到严重的刺激甚至是水肿，于此同时的外在表现多为眼部刺激、头痛等。（2） 免疫系统的致敏作用：皮肤直接与甲醛接触会导致严重的后果，研究发现，甲醛会导致过敏性皮炎，甚至是坏死。此外，有证据表明高浓度的甲醛在被人体吸入时会诱发支气管哮喘。（3） 对细胞的致癌变作用：实验室中发现，高浓度的甲醛可作为是一种基因毒性物质存在。通过对实验动物的研究，发现在吸入高浓度甲醛的情况下，能够引起鼻咽肿瘤。突出表现：包括引起人体头痛、头晕、乏力等，此外不慎吸入者也会出现恶心、呕吐、胸闷、眼痛、嗓子痛、胃纳差等，比较严重的会出现心悸、失眠，进而体重减轻、记忆力减
11、退，植物神经紊乱等；孕妇长期吸入有可能出现胎儿畸形，甚至死亡，男性长期吸入可能会导致男子精子畸形、死亡等。国家对于甲醛的安全浓度有所规定，我们可以查阅到空气中甲醛的相对浓度危险度，如表 1.1 所示：6表 1.1 不同浓度下甲醛的危害甲醛浓度 症状表现0.06-0.07 毫克/立方米 儿童发生轻微气喘0.1 毫克/立方米 有异味和不适感0.5 毫克/立方米 刺激眼睛，引起流泪0.6 毫克/立方米 咽喉不适或疼痛。浓度更高时，可引起恶心呕吐，咳嗽胸闷，气喘甚至肺水肿30 毫克/立方米 立即致人死亡调查发现甲醛污染问题通常主要集中于居室、纺织品还有食品当中。当前人们居室装饰材料和家具中使用的胶合板
12、、纤维板、刨花板等，由于是人造板材，在其中含有大量以甲醛为主的脲醛树脂，此外，各类油漆、涂料中也都含有甲醛。当前，国内家庭当中甲醛主要有以下来源：(1) 室内装饰使用的的人造板材，如胶合板、刨花板等，它们是室内空气中甲醛的主要来源。这些板材在生产制造中通常会使用胶粘剂，而胶黏剂通常以甲醛为主要成分。在板材中会存在较多的甲醛，当他们被使用时，残留的甲醛会逐渐释放出来，污染室内空气。(2) 用人造板材所制造的家具是室内甲醛的另一大来源。为了追求利润，一些厂家在生产制造时，会使用不合格的板材，或者是在粘接贴面材料时选择使用劣质的胶黏剂，而这些板材与胶黏剂当中存在着甲醛的严重超标。最终用户购买的这些家
13、具中所含有的甲醛也成为污染室内空气的一部分。(3) 含有甲醛成分的墙布、墙纸、化纤地毯、油漆涂料等，这些材料中的甲醛极有可能被释放出来。因此，当前人们需要一种合理有效的甲醛检测手段，室内甲醛气体的有效监测将保障人们室内生活的健康，避免人体的不利因素。可见研究一种让人们可以在自己家中能够独立完成检测，同时又具有简便、快速灵敏、准确直观等特点，而且又经济的甲醛检测方法必将被大众所接受，其必定有广大的市场前景。本文主要介绍一种基于单片机、能自动监测室内甲醛浓度的系统。在微型7处理器中，单片机具有很强的通用性，而且其体积小、价格低、稳定性可靠性高。因此，在智能产品、测控系统等领域中，单片机得到了广泛的
14、应用。通过甲醛传感器测试室内甲醛浓度，单片机接收处理传感器数据，并且通过液晶显示器显示该甲醛浓度值，在浓度值超过指定值时实现报警功能。同时，在 WIFI模块的支持下，利用当前的物联网技术，实现远程云端监控，监测人员不必暴露于有害气体当中，便可实时有效监控，有效预防安全事故的发生，更好地保障我们的身心健康，构建安全舒适的室内环境。1.2 现状及发展趋势目前，国内外研究中，甲醛的检测主要有以下方法:(1) 分光光度法：该方法是一种对物质进行定性和定量的分析方法。利用不同的分子结构会对电磁辐射进行选择性吸收，通过分辨不同分子的吸收特性，我们可以确定出其相关信息。针对甲醛的检测，该方法的使用的试剂如表
15、 1.2 所示：表 1.2 检测方法及其试剂说明检测方法 说明乙酰丙酮法 甲醛与乙酰丙酮酚试剂法 甲醛与酚试剂AHMT 法 甲醛与 AHMT品红一亚硫酸法 甲醛与品红一亚硫酸变色酸法 甲醛在浓硫酸介质中与铬变酸间苯三酚法 甲醛与间苯三酚亚硝基亚铁氰化钠法 甲醛与亚硝基亚铁氰化钠三氯化铁法 甲醛与三氯化铁(2) 电化学法:在化学反应中会发生电子的转移，因此在这过程中会产生电流（伏安法） 、电量（库仑法）或电位（电位法）的变化，电化学分析法是基于这点被研究出来，通过判断反应体系中各分析物的浓度，进而对其进行定量分析，目前用于甲醛检测的方法有极谱法和电位法 2 种，如表 1.3 所8示：表 1.3(
16、3) 色谱法：该方法是一种分离和分析方法，具有强大的分离效能，因此不易受样品基质和试剂颜色的干扰，因此在化学、生物化学等分析领域应用广泛。由于该方法需要强大的设备，并且对于含量低，物质种类复杂的样本，期表现出分析周期长，过程发杂等缺点。(4) 传感器检测法：当前应用于甲醛检测的传感器主要有 3 类，它们的特点如表 1.4 所示：表 1.4电化学传感器法是本设计所使用的方法。该传感器拥有敏感电极，当有甲醛气体分子流经此处时，甲醛气体分子会发生电化学反应，该反应能够电路中产生微小的电流，该电流与甲醛气体的浓度成一定的比例关系，通过放大电路可以将该电流转换为电压值，将该电压值通过 AD 转换电路的转
17、换，便可得到单9片机可以处理的数字信号，再通过运算和标定，最终能确定所检测气体当中甲醛的浓度值。当前，我们所能见到的甲醛的检测方法中，电化学传感器法是甲醛监测研究的热点。在市面上可以见到的多数检测仪，一般都使用电化学传感器。通过该传感器，实现对空气中甲醛浓度的测定。在甲醛监测方面，国内比较出名的有：江苏安普电子工程有限公司的 400 型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的抑一 308 甲醛测定仪等。国外的有：美国 ESC 公司生产的 Z-300 甲醛检测仪、英国 PPM 公司生产的 PPM-300 甲醛检测仪等。近年来，研究者多推崇以单片机为核心的控制系统，这是由于单片机系统具有高效、可
18、靠、低功耗等特点。市面上各种以单片机为核心的甲醛监测仪器正在或已经被开发出来，其被用于实际生活中的甲醛监测，为大众提供有效的测量手段，也为人们的健康生活保驾护航。但电化学传感器也有很多缺点，其主要表现在易于受其它气体的干扰，因此较难实现高精度的测量。温度对其也有一定影响，但可以通过温度传感器和甲醛气体传感器的温度特性曲线，进行温度误差消除。高精度，小型化、高抗干扰能力、简单易用是未来甲醛气体监测的发展方向，随着高度集成化的发展，便宜而实用的甲醛监测仪器必能为人们所服务。1.3 主要工作本设计的主要工作为：（1） 硬件系统的设计与 Proteus 仿真：使用 Proteus 绘制出硬件电路图并完
19、成仿真；（2） 各模块软件系统设计：传感器模块、液晶显示模块、报警模块、WiFi模块的 C51 程序设计；（3） 实物制作与实验：制作出实物并进行实际测量。1.4 本章小结甲醛对于我们的健康拥有着极大地危害，而且它还广泛的存在于我们的生活中，所以，设计开发出一种能够准确、快速、便捷的室内甲醛监测系统有着10很强的必要性，而且其必将有及其广泛的应用前景。2 系统方案设计2.1 系统总体方案得益于当代工业的飞速发展，各种不同的功能模块被设计生产出来，本课题运用模块化思想完成设计。选用各集成模块，通过单片机进行控制，协调各模块功能，完成甲醛气体的实时监测。2.2 硬件系统方案本甲醛检测系统选用 ST
20、C 公司的 90C516RD 单片机作为系统控制核心，选用岚宝德源有限公司的甲醛传感器模块作为系统的气体传感器，选用安可信公司的ESP8266-01 型 WiFi 模块做为系统的远程通信部分，选用 1602 液晶显示器作为系统的显示模块，选用有源蜂鸣器作为报警模块。硬件系统组成如下：90C51 单片机蜂鸣器1602 液晶甲醛传感器WiFi 模块11图 2.1 硬件系统方案简图2.3 软件系统方案由于 C 语言的高效性，本设计选用 C 语言作为编程语言。在编程时同样注意模块化思想，将程序分为不同功能模块，方便调试与调用。流程图如图 2.2所示:图 2.2 主程序流程图2.4 本章小结本章初步明确
21、了系统的主体设计思想，确立了软件和硬件的基本组成，我们应用此思想完成后续设计。123 硬件系统设计3.1 单片机模块STC90C516RD 是 STC 公司生产的一种 CMOS8 位微控制器，具有低功耗、高性能等特点。其内部具有 8K 字节系统可编程 Flash 存储器。该款单片机采用MCS-51 内核，其标准功能有：(1) 64k Flash；(2) 1280byte SRAM；(3) 35（39）位 I/O 接口线；(4) 看门狗定时器；(5) EEPROM；(6) MAX810 复位电路；(7) 总共 3 个 16 位定时器/计数器；(8) 4 个外部中断；(9) 一个全双工串行口。3.
22、1.1 STC90C516RD 的参数及特点单片机参数如表 3.1 所示：表 3.1项目 参数工作电压 5.5V-3.3V工作频率范围 0-40MHz用户应用程序空间 64K片内 RAM 1280ByteEEPROM 4KI/O 口 35(39)个UART 1 个外部中断 4 个定时/计数器 3 个 16 位13该款单片机芯片内带 4K 字节 EEPROM 存储空间，与以往产品相比，其能够直接使用串口下载程序，这极大地方便了我们的开发。3.1.2 单片机各引脚及功能图 3.1STC90C516RD 引脚图双列直插式 90C516RD 引脚图如图 3.1 所示，其中包含 2 个电源引脚，另个晶体
23、引脚，4 个控制或其他电源复用引脚和 35(39)个输入输出接口引脚。（1） 电源引脚VCC(40 脚)：与+5V 相接。VSS（20 脚）：接电源地。（2） 外接晶体引脚XTAL1（19 脚）与 XTAL2(20 脚)用于构建时钟电路，产生时钟信号。我们可内部方式或外部方式来产生时钟信号。 内部时钟方式：一般单芯片工作所用方式，时钟电路如图 3.2。14 外部时钟方式：采用外部振荡器，是用于多片芯片同时工作，其时钟电路如图 3.3 所示。图 3.2 图 3.3（3） 控制引脚 RESET/VPD（9 脚）：用于使单片机复位。 PSEN（29 脚）：用于输出片外程序存储器选通信号。 ALE(3
24、0 脚)：用于输入地址锁存运行信号。 EA/VPP（31 脚）：用于控制是否允许访问外部程序存储器。（4） 输入输出引脚1) P0 口（P0.0-P0.7）该端口为一般 IO 口引脚，也可用作数据/低位地址总线复用引脚。该端口较特殊，在使用时需要外接上拉电阻（一般为千欧级别） 。2) P1 口（P1.0-P1.7）一般 IO 接口引脚，此外其 P1.0 和 P1.1 接口还具有第二功能，如表3.2 所示：表 3.2引脚号 功能特性P1.0 T2，时钟输出P1.1 T2EX（定时/计数器 2）3) P2 口（P2.0-P2.7）该端口用作一般 IO 接口，此外其也能用作高位地址总线引脚。4) P
25、3 口（P3.0-P3.7）15其为一般 IO 接口，同时也有用作第二功能，其第二功能如表 3.3：表 3.33.1.3 单片机最小系统模块单片机最小系统：指在满足单片机能正常工作的前提下，所能达到的最小外围配置，这其中包括：一个时钟（晶体震荡）电路用来产生时钟信号、一个复位电路用于完成单片机初始化，以及必须的电源，如图 3.4 所示：图 3.4 单片机最小系统图中 C1 和 C2 为是两个电容，在震荡电路中，其用于稳定时钟信号频率以及快速起振。通常选用的电容值为 5-30pF（常用 30pF） 。选用 11.0592MHz 晶体振荡器，以便模块间的串口通信。本设计将选用 89C52RC 最小
26、系统模块来完成最16终设计。3.2 甲醛传感器模块传感器模块是本设计的关键性模块，其用于检测甲醛气体，并向单片机传输气体当前浓度信息。3.2.1 传感器的选择传感器用于保证检测的精度，因此传感器的精度决定了检测系统的检测精度，决定了系统能否满足设计要求。本设计选用电化学传感器来检测甲醛气体，在综合考虑精度因素和价格因素后，选用岚宝德源有限公司的甲醛传感器模块。3.2.2 传感器原理及参数该传感器是一种两极型电化学传感器，当空气中甲醛扩散到传感器处便可实现检测。因此，该传感器测量时不需要外部采样硬件的支持。当有甲醛气体存在时，在传感器的敏感电极上，将会有一个微笑的直流产生，通过运算放大电路的处理
27、，将电流信号转换为电压信号，电压信号最终通过 AD 转化，得到能被单片机接收的数字信号。其参数如表 3.4 所示：表 3.4测量范围 0-5ppm使用寿命 5 年（无腐蚀空气）输出信号 2000nA/ppm使用温度 -10-+40使用湿度 15%-90%（无结露）输出漂移 每年 10%质保时间 两年（无腐蚀空气）质量 10-15g尺寸 25mm*23mm*8mm此电化学甲醛传感器模块是一个通用型模组。利用电化学原理对空气中存在的甲醛气体进行探测，此模块与甲醛传感器相结合，具有良好的稳定性。此模17块带有 NTC 温度传感器，可以进行温度补偿，减小传感器误差，该模块是将成熟的电化学检测技术与精良
28、的电路设计紧密结合，设计制造出的通用型气体模组。传感器模块参数如表 3.5 所示：表 3.5产品名称 甲醛模块检测气体 甲醛干扰气体 酒精，一氧化碳等气体输出数据 UART 输出工作电压 3.3V 或 5V(用户可订制)预热时间 3 分钟响应时间 60 秒恢复时间 60 秒量程 01.00mg/m3分辨率 0.01 mg工作温度 050工作湿度 15%RH-90RH（无凝结）存储温度 050使用寿命 5 年（无腐蚀空气）模块默认工作电压为 3.3V；工作电流10mA。模块上电后需 1 分钟预热时间，1 分钟后测的数据为有效数据。3.2.3 传感器模块引脚该传感器共有四个引脚，其功能如表 3.6
29、 所示：表 3.6管脚 管脚说明1 VCC(电压输入 3.3V 或 5V)2 RX(串口数据输入)3 TX(串口数据输出 )4 GND(电源供电负极)传感器模块电路图如图 3.5 所示：18图 3.5 传感器模块电路图运算放大电路分析：如图 3.5，该模块选用了一片 LTC1049 作为运算放大电路中的运算放大芯片。LTC1049 是一种输入失调电压小，低功耗，零漂移的运算放大器。在这里能够较好的保证采样精度。此外，该传感器模块集成了 STM 8S00F3P6 单片机，其为一个 8 位的单片机，具有 8K 字节的 flash 存储、128 字节的数据 EEPROM、十位 AD 转换接口，3 个
30、定时计数器、一个串行通信接口、SPI 接口、IIC 接口。因此，该单片机可以通过 AD 转换接口直接接收模拟信号。该模块通过此芯片完成传感器信号处理，并通过串口输出传感器所测得的参数。89C52 单片机通过与传感器模块进行串口通信获取传感器数据，从而计算出甲醛浓度。3.2.4 甲醛传感器模块的串口通信协议该模块通信协议为： 模块通讯波特率 9600； 无校验； 数据位 8 位；19 停止位 1 位。 （9600，N，8，1） ；该模块以查询方式进行通信，即每向传感器发送一次命令，传感器模块响应一次。通讯协议如下：读取协议：发送：起始数量指令结束返回：起始数量指令甲醛 mg 甲醛 ppm 结束校
31、零协议：发送：起始数量指令结束3.3 串口 WiFi 模块我们选用安可信公司的 ESP8266-01 型串口 WiFi 模块作为本系统的 WiFi模块。该模块具有体积小、稳定性强、易扩展等特点。ESP826-01 是一款UART-WiFi 透传模块，是安可信公司为移动设备和物联网所设计的通用化模组。该模块出厂默认使用 AT 指令进行操控，用户也可以烧录自己的程序。该模块开发工具较多，便于学习开发。3.3.1 WiFi 模块特性该模块具是一标准串口 WiFi 模组，其内置 32 位 MCU，出厂时烧录了最新0xa5 0x5a 0x02 0x80 0xaa0xa5 0x5a 0x06 0x80 0
32、xxx 0xxx 0xxx 0xxx 0xaa0xa5 0x5a 0x02 0x85 0xaa20固件，该芯片可兼作应用处理器，用户可以自行烧录程序。模块工作电压为33V，与传感器模块相同。其支持 802.11 b/g/n 标准，具有完整 WiFi 功能。同时，该模块拥有串行通信接口，可以通过串口向 WiFi 模块发送指令或数据。模块拥有 STA、AP 和 STA+AP 三种工作模式。3.3.2 WiFi 模块的基本参数安可信 ESP8266-01 型 WiFi 模块使用 ESP8266 芯片 ,其出厂时的基本参数如表 3.7:表 3.7 WiFi 模块的基本参数21WiFi 模块的实物图及引
33、脚功能图如图 3.6，图 3.7 所示图 3.6 WiFi 模块实物图图 3.7 WiFi 模块引脚图22各引脚的定义如表 3.8 所示：表 3.8 WiFi 模块的引脚定义WiFi 模块最小系统如下：管脚 GND 和 VCC 分别接 3.3V 电源地和正极，CH_PD 脚拉高（可与 VCC短接） ，此时系统即可以启动，出场默认系统运行 AT 指令，接受客户的指令。模块正常启动后，电流约 70 毫安。3.3.3 WiFi 模块的 AT 指令该 WiFi 模块的默认系统运行 AT 指令，我们通过串口可以向模块发送 AT 指令。AT 即 Attention，AT 指令一种终端设备向终端适配器发送的
34、的字符串。一条AT 指令通常 AT 为首，以其他字符结束。通常，每一条指令执行后，无论其成23功与否都会有相应的返回值。这种指令方式简单易懂，由于采用标准的串口来进行收发，使我们对于模块的控制难度大大降低，易于帮助我们快速驱动模块。Espressif AT 指令集主要分为：基础 AT 命令、Wifi 功能 AT 命令、TCP/IP 工具箱 AT 命令等。指令格式如表 3.9 所示：表 3.9 AT 指令的格式该模块的每条 AT 指令都应以回车换行符结束。采用出场默认的固件时，模块串口通信的默认波特率为 115200。3.3.4 WiFi 模块的云端通信我们选择贝壳物联作为本系统的云端服务器，使
35、用其提供的云端服务功能实现远程监控。通过互联网以对话、遥控器等形式与你的智能设备进行对话、发送指令，查看实时数据，还可以跟实际需求设置报警条件，当满足报警条件时，服务器通过 APP、邮件、短信、微博、微信等方式通知用户。3.4 液晶显示模块在甲醛气体信息被单片机采集后，单片机输出显示信息，液晶模块显示出甲醛浓度。液晶是一种介于液态与结晶态之间的物质，在不通电的时候其内部排列会很混乱，这样导致光线通过就很困难。而液晶在通电的时候，在电场的作用下其内部则会有序排列，光线能够很容易的通过；因此可以利用液晶来控制光线的通过与否。液晶显示面板由两片无钠玻璃和其间夹着的一层液晶构成。液晶显示器具24有体积
36、小、功耗低、操作简单等特点，因此，其在大规模 IC 电路中使用较多，而且彩色显示较容易实现。在便携式设备（如笔记本电脑、数码摄像机、手机等）中使用更为广泛。但液晶显示器也其有缺点，如使用环境的温度范围很小，一般液晶正常工作的温度范围为 0+55。所以，在使用液晶的时候，需要依据使用环境进行正确选择。液晶显示按照显示方式的不同可以分为分段式 LCD、字符式 LCD、点阵式LCD 等。按照驱动方式的不同又可以分为静态驱动式、单纯矩阵驱动式、主动矩阵驱动式。在这里我们选用工业字符型液晶 LCD1602 液晶作为本系统的显示模块。3.4.1 液晶显示模块的概述LCD1602 的外形尺寸如图 3.8 所
37、示：图 3.8 LCD 1602 的外形尺寸其主要技术参数如表：表 3.10显示容量： 16x2 字节芯片工作电压 4.5V-5.5V工作电流 2.0 毫安（5.0V）模块最佳工作电压 5.0V字符尺寸 2 2.95x4.35（WxH ）毫米253.4.2 显示模块引脚说明本系统选用具有标准 16 接口的 LCD1602 液晶显示模块（带有背光灯） ，各接口编号及其引脚定义如表 3.11 所示：表 3.11 液晶引脚定义VSS（引脚 1）：接电源地。VDD（引脚 2）：与+5V 电源连接。VL（引脚 3）：此为对比度调节引脚。当其接通+5V 电源时，显示对比度最小，与电源地线连接时有最大对比度
38、。实际测量发现，下拉 3K 电阻时有最佳显示效果。3.4.3 显示模块操作（1） 基本操作时序：读状态：输入：RS=1，RW=1，E=0 ；输出：状态字=D0-D7；写指令：输入：RS=0，RW=0，E= 高脉冲，D0-D7=指令码；输出：无；读数据：输入：RS=1，RW=1，E=1 ；输出：数据=D0-D7；26写数据：输入：RS=1，RW=0，E= 高脉冲，D0-D7=数据；输出：无（2） LCD1602 的控制指令如表 3.12 所示：表 3.12指令码功能如下： 显示模式设置：表 3.13 显示开关及光标设置：27表 3.14（3） 显示模块的初始化过程（复位过程） 操作时序：28读操
39、作时序（图 3.9）：图 3.9 液晶的读操作时序写操作时序（图 3.10）：图 3.10 液晶的写操作时序3.4.4 RAM 映射表及字库对照表LCD1602 显示模块内部有 80x8 位（80 字节）的数据缓存区，其对应显示区域对照如图 3.11 所示：29图 3.11 液晶的 RAM 对照表因此在向 DDRAM 写 C51 字符代码程序时可以直接用 P1=A这样的方法。编译器在编译时会把A转换 41H，即 A 所对应的代码。字符编码和字符的对应关系如图 3.12 所示：图 3.12 字符对照表303.5 蜂鸣器模块蜂鸣器模块的的功能是：当甲醛浓度超出指定值时，发出报警信号。蜂鸣器分为无源
40、蜂鸣器和有源蜂鸣器两种。无源蜂鸣器：蜂鸣器内部没有震荡源，需要外部输入交变信号才能发声，低电平触发；有源蜂鸣器：内部拥有震荡源，接通电源便能发声。蜂鸣器的选用。由于无源蜂鸣器在工作时需要单片机不停地产生输出 PWM 波，导致一旦蜂鸣器报警，程序就需停下，而本检测系统需要不间断的检测甲醛浓度，因此本系统选用有源蜂鸣器。3.6 电源降压模块在前面甲醛传感器模块和 WiFi 模块的介绍中我们可以看到，这两个模块工作的电压为 3.3V，然而单片机工作电压为 5.0V，因此，我们需要一个降压模块来匹配它们的工作电压。在这里我们选用 AMS1117-3.3 电源稳压模块来完成此项工作，该模块配备了一片 A
41、MS1117-3.3 芯片。AMS1117 系列固定稳压器设计提供了可调的 800mA 的输出电流和低于 1V 的输入输出误差。在保证最大输出电流时，该设备的压差最大为 1.3V，在低负载电流时，压差会下降。片上微调调整参考电压为 1%。其电流限制也做了调整，最大限度地减少了过载条件下调节器和电源电路的应力。AMS1117 采用与其他器件兼容的三端引脚，表面贴装SOT-223 封装。整个降压模块的工作参数如下：(1) 输入：直流 4.75V-12V(2) 输出：3.3V，800mA （负载电流不能超过 800ma）3.7 串口通信的 TTL 电平匹配设计由于甲醛传感器模块和 WiFi 模块上控制芯片的工作电平均为 3.3V，如果其串口与单片机直接相连，则有可能因灌电流过大，导致模块烧毁，因此必须设计电路来进匹配这些模块的 TTL 电平。
